Упругие и прочностные свойства матричных композитов

С.Н. Лапшина, Е.А. Митюшов, Е.М. Романовская (Екатеринбург)

Развитие производства и применение композиционных материалов в различных отраслях промышленности ставит задачу прогнозирования их физико - механических свойств. Чем больше известно характеристик материала, коррелирующих с его прочностью, тем с большей достоверностью можно предсказать его гарантированную прочность, не прибегая к экспериментальному разрушению конструкций и изделий. Пространственно - армированные композиционные материалы отличаются тем, что их механические свойства по различным направлениям различны.

Волокна, введенные в материал, определяют уровень прочностных свойств материала. При этом напряжения, возникающие при нагружении, воспринимаются, в основном, армирующими волокнами. Расширение сферы использования вызывает необходимость получения надежных численных оценок физических и прочностных свойств по данным о свойствах компонент и особенностям их пространственного расположения.

 Нами предложен метод расчета, основанный на операции усреднения свойств при разной ориентации осей упругой симметрии материала на участках, каждый из которых представляет собой однонаправленный транстропный материал, и получены конечные выражения для коэффициентов упругости и податливости путем введения параметров армирования, характеризующих расположение волокон в композитном материале, а также рассчитаны предельные напряжения, при которых начинается разрушение пространственно - армированного композита. В результате чего появилась возможность оптимизации свойств композитных материалов и получения материала с необходимым набором упругих и прочностных характеристик.

В качестве модели пространственно - армированного композита рассмотрена трехуровневая модель неоднородной среды, составленная из элементарных объемов, каждый из которых представляет собой однонаправленный композит с различной ориентацией. Суммарная доля элементарных объемов с одинаковой ориентацией волокон пропорциональна их количественному содержанию в реальном композиционном материале, а объемный коэффициент армирования во всех элементарных объемах одинаков. Получены макроскопические модули упругости и податливости, предельное напряжение при одноосном растяжении пространственно - армированного композита по свойствам компонент, их объемному содержанию и характеру пространственного распределения армирующих волокон.